超快激光电子动态调控的无衍射贝塞尔光束材料加工

Femtosecond laser micro/nano structuring of wide bandgap materials by Bessel beams has shown many advantages over laser processing scenarios based on traditional Gaussian beams, especially in the fabrication of high aspect ratio nanochannels. However, the large depth of focus of Bessel beams usually leads to a defocusing of the trailing edge of the incident pulse induced by the plasma channel excitation during the leading edge of the pulse, which significantly deteriorates the energy absorption efficiency and quality of the fabrication process. In the proposed project, we will study laser-matter interaction, nonlinear propagation dynamics; illustrate the mechanism of electron dynamics control and material transient state in ultrafast laser processing of wide bandgap materials by spatio-temporally tailored pulses through theoretical considerations and pump-probe experiments. We propose the use of temporally shaped femtosecond laser pulses to precisely alter the electron density, electron collision frequency and electron temperature of the excited plasma, thus effectively control the interaction of temporally shaped Bessel beam with its induced plasma channel in wide bandgap materials. The proposed method has great potential to increase the efficiency and improve the quality and precision in ultrafast laser processing of wide bandgap materials by Bessel beams.

飞秒激光贝塞尔光束在宽禁带材料中高深宽比结构的加工相比于传统高斯光束有显著的优势，然而贝塞尔光束的长纵向焦深特点决定了其脉冲前沿聚焦激发的等离子体通道将阻碍脉冲后沿的传播与聚焦，从而产生散焦现象，降低了飞秒激光贝塞尔光束加工宽禁带材料的能量吸收效率和加工精度。本项目将从理论模拟和泵浦-探测实验两方面深入研究飞秒激光贝塞尔光束与宽禁带材料的相互作用及其非线性传播规律，揭示超快激光时空整形对电子激发/电离和材料瞬时局部特性的影响机制。通过设计飞秒脉冲序列的各项参数，实现贝塞尔光束加工宽禁带材料中的电子密度、电子碰撞频率、电子温度等的精确调控，进而主动控制贝塞尔光束与所致等离子通道的相互作用过程，为形成一种基于时域整形的飞秒激光贝塞尔光束高效率、高质量加工方法奠定基础。

本项目以飞秒激光电子动态调控的时域整形脉冲序列为手段，对脉冲序列辐照材料时的光子能量吸收、自由电子激发、冲击波的产生及传播、材料相变及蚀除机理等问题展开研究，取得的主要成果如下：（1）利用泵浦探测技术研究了第一个飞秒激光脉冲辐照熔融石英时所形成的微结构对第二个脉冲诱导等离子体/冲击波的影响，发现相比于第一个脉冲诱导的等离子体/冲击波，第二个脉冲诱导的等离子体/冲击波在纵向方向上的传播明显增强，而在径向方向上的传播则保持不变。利用等离子体模型以及菲涅尔衍射公式对所发现的现象进行研究，结果表明这种增强效应归因于凹坑诱导的激光再聚焦。（2）对基于电子动态调控的飞秒激光脉冲时域整形技术以及整形脉冲序列与电介质的相互作用机理展开了研究，发现时域整形脉冲序列不但会影响激光辐照辅助化学刻蚀的效率，还会对刻蚀过程以及刻蚀坑形貌产生影响；通过调节时域整形脉冲序列能量密度、子脉冲间隔、子脉冲强度比等参数可以调控飞秒激光与介质材料相互作用时电子的激发/电离，从而调控飞秒激光光子能量的沉积效率。（3）飞秒激光双脉冲烧蚀镍时在一定子脉冲间隔范围内不会出现双脉冲烧蚀大部分金属时所出现的烧蚀抑制，而是产生烧蚀增强。计算结果表明随着电子温度Te的升高，镍的电子-晶格能量耦合率G下降而电子热导率ke上升。因此，激光的能量更容易扩散到激光辐照区域之外，从而产生烧蚀增强现象。（4）使用含时密度泛函理论计算单层二硫化钼在飞秒激光脉冲作用下的瞬态光学性质的变化，研究飞秒激光对材料光学性质的调控能力。（5）利用时域有限差分的方法和激光烧蚀模型对材料初始表面粗糙度对最终形成的激光诱导的表面周期性结构形貌的影响进行了理论研究，提出了一种控制激光诱导表面形貌的新方法。.在本项目支持下，共发表SCI论文5篇，此外还有1篇SCI论文在投；培养了博士生5人，其中3人已经取得博士学位；培养硕士生3人，已经全部取得硕士学位。